云南省峨山彝族自治縣高中物理第七章機(jī)械能守恒定律教案（打包20套）新人教版必修2.zip,云南省,峨山彝族自治縣,高中物理,第七,機(jī)械能,守恒定律,教案,打包,20,新人,必修 9．實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1．要弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，本?shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是利用重物的自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律； 2．要明確實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法與技巧、學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析，從而使我們對(duì)機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識(shí)，不止停留在理論的推導(dǎo)上，而且還能夠通過親自操作和實(shí)際觀測，從感性上增加認(rèn)識(shí)，深化對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解； 3．要明確紙帶選取及測量瞬時(shí)速度簡單而準(zhǔn)確的方法。 過程與方法 1．通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力； 2．通過同學(xué)們的親自操作和實(shí)際觀測掌握實(shí)驗(yàn)的方法與技巧； 3．通過對(duì)紙帶的處理過程培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會(huì)處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法； 4．通過實(shí)驗(yàn)過程使學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中理性思維的重要，既要?jiǎng)邮郑獎(jiǎng)幽X。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1．通過實(shí)驗(yàn)及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的探知欲； 2．使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)體會(huì)成功的樂趣與成就感，激發(fā)對(duì)物理世界的求知欲； 3．培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作精神和協(xié)作意識(shí)，敢于提出與別人不同的見解。 教學(xué)重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)原理及方法的選擇及掌握。 教學(xué)難點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)誤差分析的方法。 教學(xué)方法 預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)──實(shí)驗(yàn)觀察──數(shù)據(jù)處理──歸納總結(jié)。 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生自主閱讀、思考，親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，并討論、交流學(xué)習(xí)成果。 教學(xué)用具 電火花計(jì)時(shí)器（或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）；重物（質(zhì)量300g±3g）及紙帶；天平（秤量大于300g）及砝碼；鐵架臺(tái)、復(fù)夾、燒瓶夾；電源。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 上節(jié)課我們從理論上學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機(jī)械能守恒定律，這一節(jié)將通過實(shí)驗(yàn)來研究物體自由下落過程中動(dòng)能與勢能的變化，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 ［新課教學(xué)］ 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 利用重物自由下落的現(xiàn)象驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 【實(shí)驗(yàn)方法】 重物的質(zhì)量用天平測出（本實(shí)驗(yàn)也可以不測重物的質(zhì)量），紙帶上某兩點(diǎn)的距離等于重物下落的高度，這樣就能得到重物下落過程中勢能的變化。 重物的速度可以用大家熟悉的方法從紙帶測出，這樣也就知道了它在各點(diǎn)的瞬時(shí)速度，從而得到它在各點(diǎn)的動(dòng)能。 比較重物在某兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化與勢能變化，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。 在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢能和動(dòng)能可以相互轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能守恒。 h v 如果忽略空氣的阻力，這時(shí)物體的機(jī)械能守恒，即重力勢能的減少等于動(dòng)能的增加。 設(shè)物體的質(zhì)量為m，下落距離為h時(shí)物體的瞬時(shí)速度為v，則重力勢能減少mgh，動(dòng)能增加，故有mgh＝ 利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，測出重物下落的高度h，利用時(shí)間t內(nèi)的平均速度等于該段時(shí)間中點(diǎn)時(shí)刻的瞬時(shí)速度算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的瞬時(shí)速度v，即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。 若從重物下落過程中的某一點(diǎn)A開始，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測出物體對(duì)應(yīng)于A點(diǎn)的速度vA?，再測出物體由A點(diǎn)下落Δh后經(jīng)過B點(diǎn)的速度vB，則在誤差允許范圍內(nèi)，根據(jù)機(jī)械能守恒有 將對(duì)應(yīng)各量代入，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，若等式成立，機(jī)械能守恒定律即被驗(yàn)證。 【實(shí)驗(yàn)器材】 鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、電火花計(jì)時(shí)器（或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）、直尺、重錘、紙帶、導(dǎo)線、電源。 【要注意的問題】 1．重物下落過程中，除了重力外會(huì)受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？ 阻力主要有空氣阻力、紙帶與計(jì)時(shí)器間的阻力等。在實(shí)驗(yàn)中可選擇質(zhì)量較大、密度較大的重物，可減少阻力的影響。安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。 2．重物下落時(shí)，最好選擇哪兩個(gè)位置作為過程的開始和終結(jié)的位置？ 開始點(diǎn)選擇紙帶上的起點(diǎn)，且第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇距起點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，這樣測量的相對(duì)誤差較小。 3．為了增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，可以重復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，還可以在一次下落中測量多個(gè)位置的速度，比較重物在這些位置上動(dòng)能與勢能之和。 只有通過多次比較，才能得到正確的結(jié)果。 4．實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要寫明本實(shí)驗(yàn)的目的、原理、器材、主要實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)的分析、結(jié)論，以及對(duì)結(jié)論可靠性的評(píng)估（包括對(duì)可能產(chǎn)生的誤差的分析）。 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的方法，由于阻力的作用，本實(shí)驗(yàn)中減少的重力勢能略大于增加的動(dòng)能。 【速度的測量】 我們學(xué)過了勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并且已經(jīng)知道自由落體的運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)，就可以用一個(gè)更簡單、更準(zhǔn)確的方法測量重物下落時(shí)的瞬時(shí)速度了。 如圖所示，A、B、C是紙帶上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，由于已經(jīng)知道紙帶以加速度a做勻加速運(yùn)動(dòng)，所以A、C兩點(diǎn)的距離可以表示為 式中“2Δt”是A、C兩點(diǎn)的時(shí)間間隔。這樣，A、C之間的平均速度可以寫成 另一方面vB＝vA＋aΔt 所以 這表明：做勻變速運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于相鄰兩點(diǎn)間的平均速度。即中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間的平均速度。 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1．如圖所示，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直地固定在置于桌邊的鐵架臺(tái)上，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好。 電火花計(jì)時(shí)器 紙帶 夾子 重物 2．將紙帶穿過電火花記時(shí)器或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，并把紙帶的一端固定在重物上，使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方，先用手提著紙帶。 3．先接通電源，松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落，計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一列小點(diǎn)。 4．重復(fù)幾次，得到3～5條紙帶。 5．在打好點(diǎn)的紙帶中挑選“點(diǎn)跡清楚且第一、二兩點(diǎn)間距離約為2mm”的一條紙帶，記下第一個(gè)點(diǎn)的位置O，并在紙帶上從任意點(diǎn)開始依次選取幾個(gè)連續(xù)的點(diǎn)1、2、3……，并用刻度尺依次測出各點(diǎn)到位置O的距離，這些距離就是物體運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)1、2、3、……時(shí)下落的高度h1、h2、h3……。 6．應(yīng)用平均速度就是中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度的方法 ，計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3……。 7．把得到的數(shù)據(jù)真入表格里，計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勢能減少量mgh，以及增加的動(dòng)能，并比較是否跟理論一致。計(jì)算時(shí)g取當(dāng)?shù)氐臄?shù)值。 8．拆掉導(dǎo)線，歸整器材。 【記錄及數(shù)據(jù)處理】 g＝9.8m/s2，T＝0.02s h1(OB) h2(OC) A O E D C B h3(OD) ΔEp1＝mgh1 ΔEp2＝mgh2 ΔEp3＝mgh3 x1(AB) x2(BC) x3(CD) x4(DE) 結(jié)論： _______________________________________________________________________________________________________________________________________________ 【注意事項(xiàng)】 1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩限位孔必須在同一豎直線上，以減少摩檫阻力。 2．實(shí)驗(yàn)時(shí)必須先接通電源，然后松開紙帶讓重物下落。 3．測量下落高度時(shí)，必須從起始點(diǎn)算起。選取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)些，可減少物體下落距離h的測量誤差。紙帶不宜過長，約40㎝即可。因重物自由下落時(shí)的加速度較大，每兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔不一定取連打5個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為計(jì)時(shí)單位。 4．實(shí)驗(yàn)中因不需要知道動(dòng)能和勢能的具體數(shù)值，故不需測物體的質(zhì)量m。 5．實(shí)際上重物和紙帶下落過中要克服阻力做功，所以動(dòng)能的增加量要小于勢能的減少量。 6．紙帶的上端最好不要懸空提著，要保證重物下落的初速度為零，并且紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)是清晰的小點(diǎn)。 7．紙帶挑選的標(biāo)準(zhǔn)是第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2mm。 【誤差分析】 1．由于測量長度帶來的誤差屬偶然誤差，減小的辦法一是測距離時(shí)都從起點(diǎn)O量起，二是多測幾次取平均值。 2．實(shí)際上重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的阻力)做功，故動(dòng)能的增加量ΔEK必定稍小于勢能的減少量ΔEP，這是屬于系統(tǒng)誤差。 【問題討論】 問題1：本實(shí)驗(yàn)要不要測量物體的質(zhì)量？ 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式：和中，式子兩邊均有重物的質(zhì)量m，因而也可不具體測出m的大小，而將m保留在式子中。 問題2：對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)條紙帶應(yīng)如何選??？分組討論，得出結(jié)論，選取合適的紙帶以備處理數(shù)據(jù)之用。 （1）用驗(yàn)證 這是以紙帶上第一點(diǎn)（起始點(diǎn)）為基準(zhǔn)點(diǎn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方法。由于第一點(diǎn)應(yīng)是重物做自由落體運(yùn)動(dòng)開始下落的點(diǎn)，所以應(yīng)選取點(diǎn)跡清晰且第1、2兩點(diǎn)間的距離接近2mm的紙帶。 （2）用驗(yàn)證，這是回避起始點(diǎn)，在紙帶上選擇后面的某兩點(diǎn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方法。由于重力勢能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，勢能的大小不必從起始點(diǎn)開始計(jì)算。這樣，紙帶上打出起始點(diǎn)O后的第一個(gè)0.02s內(nèi)的位移是否接近2mm，以及第一個(gè)點(diǎn)是否清晰也就無關(guān)緊要了。實(shí)驗(yàn)打出的任何一條紙帶，只要后面的點(diǎn)跡清晰，都可以用于計(jì)算機(jī)械能是否守恒。 實(shí)驗(yàn)開始時(shí)如果不是用手提著紙帶的上端，而是用夾子夾住紙帶的上端，待開始打點(diǎn)后再松開夾子釋放紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)跡清晰，計(jì)算時(shí)從第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)開始至某一點(diǎn)的機(jī)械能守恒，其誤差也不會(huì)太大。回避第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)的原因也包括實(shí)驗(yàn)時(shí)手提紙帶的不穩(wěn)定，使第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)打出的點(diǎn)跡過大，從而使測量誤差加大。 問題3：重物的速度怎樣測量？結(jié)合教材介紹獨(dú)立推導(dǎo)測量瞬時(shí)速度并得出結(jié)論。 做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于與之相鄰兩點(diǎn)間的平均速度。前面已經(jīng)推導(dǎo)過。也可以結(jié)合速度圖象推導(dǎo)。 問題4：實(shí)驗(yàn)誤差分析，提出問題，在得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，大部分同學(xué)得到的結(jié)論是，重物動(dòng)能的增加量稍小于重力勢能的減少量，即ΔEk＜ΔEp。是怎么造成的呢？分組討論，得到結(jié)論。對(duì)學(xué)生討論進(jìn)行點(diǎn)撥。展示幻燈片。 （1）重物和紙帶下落過程中要克服阻力，主要是紙帶與計(jì)時(shí)器之間的摩擦力。 （2）計(jì)時(shí)器平面不在豎直方向，紙帶平面與計(jì)時(shí)器平面不平行是阻力增大的原因。 （3）電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的阻力大于電火花計(jì)時(shí)器。由于阻力的存在，重物動(dòng)能的增加量稍小于勢能的減少量，即ΔEk＜ΔEp。 在實(shí)驗(yàn)中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)，重物動(dòng)能的增加量稍大于重力勢能的減少量，即ΔEk＞ΔEp的結(jié)論呢？ 交流電的頻率f不是50Hz也會(huì)帶來誤差。若f＞50Hz，由于速度值仍按頻率為50Hz計(jì)算，頻率的計(jì)算值比實(shí)際值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，動(dòng)能值也就偏小，使ΔEk＜ΔEp的誤差進(jìn)一步加大。根據(jù)同樣的道理，若f＜50Hz，則可能出現(xiàn)ΔEk＞ΔEp的結(jié)果。 ［小結(jié)］ 本節(jié)課利用重物下落的方法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，要掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、方法、操作步驟、注意事項(xiàng)、誤差分析等。驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方法很多，同學(xué)們可以設(shè)計(jì)其它的方法加以驗(yàn)證。 ［布置作業(yè)］ 教材第80頁“問題與練習(xí)”。 - 7 -